《核能利用與核材料》是為工程物理系本科生核材料系列課程編寫的教材之一，內容包括核物
理與核輻射基礎、核能基礎、核能利用和核材料、核電廠主要設備及核材料等4 章。本書作為本科低年級
入門教材，可用于概論課和生產實習使用。
第1 章核物理與核輻射基礎，從原子模型和盧瑟福散射實驗談起，討論核子與核力，核反應與化學
反應的區別，質量虧損與核能，裂變、衰變和聚變，核燃料與核能，放射線，放射線的危害，吸收劑量與
當量劑量，放射線的屏蔽與防護；第2 章核能基礎，介紹可控鏈式反應和反應堆，核燃料及核燃料再循環，
反應堆類型，反應堆的調節和控制，核事故和核安全，放射性廢物處理；第3 章核能利用和核材料，講述
了核爆炸和核反應堆的原理，討論鈾濃縮，核反應堆的種類及其結構，熱中子堆中钚的使用，快中子增殖堆，
核反應堆用材料，核聚變和聚變能的應用；第4 章核電廠主要設備及核材料，介紹中外核電發展歷史和現狀，
核島和常規島，反應堆材料輻照損傷，核電壓力容器及壓力容器用鋼，核反應堆的四道安全屏蔽，核電廠
的主要設備。作為簡論，涉及核能利用與核材料的方方面面。
本書嘗試采用通俗易懂、圖文并茂的編寫方式，著力突出重點、理清思路，強調基本概念和基本原理，
著重核材料的應用和創新，注重提高同學分析問題和解決問題的能力，力求達到較好的教學效果。
本書對從事反應堆材料和反應堆設計、研究、運行、生產和教學以及其他相關核工程和材料專業的
科技人員、本科生、研究生都具有參考價值。
本書是為工程物理系本科生核材料系列課程編寫的教材。該系列教材包括《核能利用與核材料》《材料學導論》《核材料與應用》《核材料的腐蝕》等。本書包括4 章：第1 章核物理與核輻射基礎，從原子模型和盧瑟福散射實驗談起，討論核子與核力，核反應與化學反應的區別，質量虧損與核能，裂變、衰變和聚變，核燃料與核能，放射線，放射線的危害，吸收劑量與當量劑量，放射線的屏蔽與防護；第2 章核能基礎，介紹可控鏈式反應和反應堆，核燃料及核燃料再循環，反應堆類型，反應堆的調節和控制，核事故和核安全，放射性廢物處理；第3 章核能利用中的核材料，講述了核爆炸和核反應堆的原理，討論鈾濃縮，核反應堆的種類及其結構，熱中子堆中钚的使用，快中子增殖堆，核反應堆用材料，核聚變和聚變能的應用；第4 章核電廠主要設備及核材料，介紹中外核電發展歷史和現狀，核島和常規島，反應堆材料輻照損傷，核電壓力容器及壓力容器用鋼，核反應堆的四道安全屏蔽，核電廠的主要設備。作為簡論，涉及核能利用與核材料的方方面面。目前，對核材料這個名詞沒有統一的看法和定義。有的人認為它是用于核科學和核工程的材料的總稱；有的人認為它是專指裂變反應堆和聚變反應堆所用材料；還有的把它定義為裂變材料和聚變材料的總稱，即與核燃料的概念相似。廣義的核材料是核工業及核科學研究中所專用的材料的總稱，也可以把核材料歸結為核能材料或核工業所用材料的總稱。核燃料是指能產生核裂變或核聚變反應并釋放出巨大核能的物質。核燃料可分為裂變燃料和聚變燃料（或稱熱核燃料）兩大類。裂變燃料主要指易裂變核素如鈾235、钚239 和鈾233 等。此外，由于鈾238 和釷232 是能夠轉換成易裂變核素的重要原料，且其本身在一定條件下也可以產生裂變，所以習慣上也稱其為核燃料。聚變燃料包含氫的同位素氘、氚，鋰6 和其化合物等。核工程材料是指反應堆及核燃料循環和核技術中用的各種特殊材料，如反應堆結構材料、元件包殼材料、反應堆控制材料、慢化劑、冷卻劑、屏蔽材料等。例如特種鋁合金、鋯合金、鈹、低合金高強度鋼、特種不銹鋼、高溫鎳基合金、特種石墨、特種陶瓷、半導體及高分子材料等。材料科學與工程包括四個基本要素，即材料的成分、材料的組織和結構、材料的制備與加工、材料的性能和應用特性，一般形象地將四要素表示為四面體的四個頂點。這是理解材料科學與工程問題的總綱。核材料的研制和應用，核材料在服役過程中受到的影響，核材料的時效、老化、失效乃至核事故的分析等，當然也涵蓋在這四個要素之中。顯然, 整個核工程和核材料領域都離不開材料科學與工程的基礎知識。一個核反應堆，它的核心是一個能量密度很高的熱源。處在那里的材料自然會面臨高溫、高溫度梯度、高熱流、高速流場的作用，這本身已構成很特殊的問題。但是，在這以外最特殊的因素當屬材料的核性能和中子的作用。反應堆材料所面臨的工況比迄今為止我們遇到的任何工程所面臨的條件還要復雜得多，因此人們說：Theimportance of behavior of the reactor materials can not be over-emphasized，意思是說，反應堆材料問題的重要性無論怎樣強調也不過分。《核材料與應用》《核材料的腐蝕》將針對核工程材料的特殊問題，包括材料的核特性、輻照、腐蝕、高溫環境等進行論述。只有掌握這些，才能將材料科學的知識升華為核材料科學的水平。材料科學與工程已經是一個很綜合的領域，再結合到物理工程里的特點，這就需要跨學科地學習和交叉融匯，這當然不是一兩門課程所能奏效的。基于上述特殊服役環境，核材料具有以下特點：①種類繁多，不可替代；②服役環境惡劣；③性能要求極高；④易老化失效；⑤一旦失效，后果嚴重；⑥服役結束后，處理、處置困難。核材料系列課程要側重這些內容來講授。為此，核材料系列課程主要針對以下問題進行討論：①是什么，②為什么，③怎么加工制造，④有什么用、怎么用，⑤服役中會發生什么變化，⑥如何提高性能。《材料學導論》主要涉及①、②、③、⑥；《核材料與應用》主要涉及③、④、⑤、⑥。本書在每章之下采用節節清的論述方式，左文右圖，圖文對照，并給出本節重點。內容豐富，重點突出；層次分明，思路清晰；選材新穎，強調應用；綱舉目張，脈絡清楚。本課程既不是海闊天空的漫談，也不是基礎理論課程的壓縮。在內容上避免深、難、偏、窄、玄，強調淺、寬、新、活、鮮。在占有大量資料的前提下，采用圖文并茂的形式，全面且簡明扼要地介紹各類材料的新進展、新性能、新應用，力求深入淺出，通俗易懂，千方百計地使知識新起來、動起來、活起來，做到有聲有色，栩栩如生。本書的編寫受到清華大學工程物理系教學指導委員會的指導并得到工程物理系的資助，在此表示衷心感謝。本書對從事反應堆材料和反應堆設計、研究、運行、生產和教學以及其他相關材料專業的科技人員、本科生、研究生都有參考價值。由于作者水平有限，不妥或謬誤之處在所難免，懇請讀者批評指正。編著者2016 年8 月于清華園
第1 章 核物理與核輻射基礎
1.1 原子模型 ·················································································2
1.1.1 關于原子古典原子論和四元素論
1.1.2 原子模型原子有核還是無核
1.1.3 關于原子核帶正電的原子核為什么不分崩離析
1.1.4 原子核的大小坐鎮原子中心的原子核
1.2 盧瑟福散射實驗 ·············································································4
1.2.1 盧瑟福實驗證明原子核的存在
1.2.2 關于電子帶負電荷的粒子
1.2.3 正電子帶正電荷的電子
1.2.4 加速器產生高能粒子的有效手段
1.3 核子與核力 ·················································································6
1.3.1 中子不帶電荷的粒子
1.3.2 原子序數和質量數對元素加以區別的原子序數
1.3.3 介子湯川秀樹預言的粒子
1.3.4 幻數（魔法數）中子數和質子數的微妙平衡
1.4 核反應與化學反應 ·············································································8
1.4.1 核反應使核發生變化的反應
1.4.2 核裂變的發現鈾235 核裂變為兩塊
1.4.3 原子核的結合能為什么核子能緊密相處
1.4.4 質量虧損和能量狹義相對論
1.5 質量虧損與核能 ···································································10
1.5.1 核裂變能量高能量的發生
1.5.2 化學能與核能二者來源不同且數值差異極大
1.5.3 核裂變產物是如何產生的高放射性水平的核廢物
1.5.4 同位素化學性質相同但質量數不同
1.6 裂變、衰變和聚變 ···································································12
1.6.1 閾值反應進屋必須跨過門坎
1.6.2 半衰期元素的衰變存在規則性
1.6.3 隧道效應原子具有穿墻術
1.6.4 核聚變與核裂變的不同輕核聚合與重核分裂
1.7 核燃料與核能 ············································································14
1.7.1 鈾大可不必談鈾色變
1.7.2 钚既有武器級又有反應堆級
1.7.3 超鈾元素應用領域也很廣泛，不可替代的元素
1.7.4 氚（超重氫）混凝土也能透過
1.8 放射線 ········································································16
1.8.1 放射線的種類來自宇宙的放射線
1.8.2 放射線和放射性放射能力即為輻射源強度
1.8.3 由放射線而產生的能量物質中的能量
1.8.4 放射線對身體的影響對DNA 造成損傷的放射線
1.9 放射線的危害 ······································································18
1.9.1 放射當量劑量和對健康的影響100mSv 以上即影響健康
1.9.2 戈瑞和希沃特吸收劑量和當量劑量的單位
1.9.3
ICRP 的建議和推薦放射線利用的向導
1.9.4
X 射線與 射線的不同穿透力極強的放射線
1.10 吸收劑量與當量劑量 ······································································20
1.10.1
X 射線及 射線與電子的反應電子的彈子房
1.10.2
天然放射性日常生活中的放射線
1.10.3
放射線防護為保護人類的健康和安全
1.10.4
放射性活度，吸收劑量和當量劑量對食品等的限制值
1.11 放射線的屏蔽與防護 ····························································22
1.11.1
輻射屏蔽材料屏蔽材料依射線不同而異
1.11.2
放射線測量儀的工作原理利用放射線產生的效應
1.11.3
超鈾元素的應用Am-241 用于離子式煙霧探測器
1.11.4
居里夫人杰出的女科學家及核科學家一家人
定義及名詞術語匯編
思考題及練習題
參考文獻
第2 章 核能基礎
2.1 反應堆是利用核能的有效手段
·········································26
2.1.1 反應堆中發生的核裂變如何獲得核裂變能
2.1.2 中子能量與核裂變熱中子更容易引發核裂變
2.1.3 極高密度的能源來自于愛因斯坦方程E=mc2 的巨大能量輸出
2.1.4 鏈式反應產生核能的反應
2.2 如何實現可控鏈式反應
··························································28
2.2.1 原子彈和核反應堆的差別反應堆要絕對確保不發生核爆炸
2.2.2 臨界中子吸收和中子生成之間的平衡
2.2.3 中子的減速慢中子容易引發核裂變
2.2.4 慢化劑和冷卻劑水可以雙肩挑
2.3 核燃料及核燃料再循環
·································30
2.3.1 核燃料核能之源
2.3.2 核燃料是如何制造出來的從礦石到黃餅，再經同位素分離
2.3.3 核燃料的后處理燃料的再循環
2.3.4 核燃料循環核資源的再利用
2.4 反應堆類型（1） ··························································32
2.4.1 反應堆的種類形式決定于目的
2.4.2 中子能譜與反應堆表征反應堆特性的指標
2.4.3 輕水堆水既做慢化劑又做冷卻劑
2.4.4 改良型輕水堆更安全、更經濟的反應堆
2.5 反應堆類型（2） ······························································34
2.5.1 氣冷堆到高溫氣冷堆已歷三世
2.5.2 钚熱堆目前最有效的核燃料再循環法
2.5.3 快中子堆快意味著中子的能量高
2.5.4 核燃料的燃耗已燃燒的量
2.6 反應堆的調節和控制·················································36
2.6.1 反應堆的控制中子數量是關鍵所在
2.6.2 反應性的平衡有各種各樣的反應性
2.6.3 負的反應性反饋反應堆本身就應具備的控制機構
2.6.4 核能世界中的第一次芝加哥1 號堆和美國在日本投下的兩顆原子彈
2.7 核事故（1） ······························································38
2.7.1 共同培育核電發展的良好輿論環境
2.7.2 核事故分級標準核事故從0 ~ 7 級
2.7.3 美國三哩島核事故歷史上最早的核電廠事故
2.7.4 前蘇聯切爾諾貝利核事故核污染無國界
2.8 核事故（2） ···········································································40
2.8.1 文殊二次回路的鈉泄漏事故安全隱患必須防微杜漸
2.8.2
JCO 臨界事故日本最早的臨界事故
2.8.3 3·11東日本大地震福島核電廠事故是天災還是人禍
2.8.4 反應堆的緊急停堆插入安全棒
2.9 核事故（3） ························································································42
2.9.1 冷卻用電源的確保重大事故引發電源的喪失
2.9.2 堆芯熔化，氫爆炸過熱導致堆芯熔化
2.9.3 衰變熱反應堆的余熱
2.9.4 千萬不能發生再臨界必須確保控制系統的健全性
2.10 重大核事故后對核安全提出更嚴格的要求
·················································44
2.10.1
核安全的定義
2.10.2
核事故所帶來的危害及影響
2.10.3
修訂核安全法規，完善核監管制度核安全政策
2.10.4
中國的核安全觀
2.11 如何保證核安全 ···············································································46
2.11.1
防止核劫持如何防劫防盜
2.11.2
核電廠從選址到運行許可證制度
2.11.3
核電廠的人員許可證操縱員和高級操縱員
2.11.4
安全審查和定期檢查重點確認停堆冷卻包容三個關鍵環節
2.12 放射性廢物處理 ·········································································48
2.12.1
反應堆周圍的核監測對輻射劑量和劑量的變化進行監測
2.12.2
放射性廢物需要特殊處理的核垃圾
2.12.3
反應堆的退役必須做到善始善終
2.12.4
反應堆的退役不能一蹴而就
2.13 中國的核廢料如何處理與處置
··························································50
2.13.1
放射性廢棄物的來源及其特征
2.13.2
放射性廢棄物處置原則
2.13.3
放射性廢物的處理流程
2.13.4
放射性廢物的處理和處置方法
定義及名詞術語匯編
思考題及練習題
參考文獻
第3 章 核能利用中的核材料
3.1 核爆炸和核反應堆的原理
·····································································54
3.1.1 天然的核反應堆
3.1.2 核爆炸原理
3.1.3 核反應堆原理
3.1.4 核能利用現狀
3.2 鈾濃縮 ·····························································································56
3.2.1 鈾的富集度與臨界質量
3.2.2 鈾濃縮法（1）氣體擴散法
3.2.3 鈾濃縮法（2）離心分離法
3.2.4 鈾濃縮法（3）原子激光法
3.2.5 鈾濃縮法（4）分子激光法
3.3 核反應堆的種類及其結構
·········································································58
3.3.1 核反應堆的種類
3.3.2 壓水堆
3.3.3 沸水堆
3.3.4 輕水堆的安全性
3.4 熱中子堆中钚的使用 ·······························································60
3.4.1 钚熱堆的原理
3.4.2
MOX 核材料
3.4.3 兩種核燃料的使用對比
3.4.4 采用MOX 核材料的好處
3.5 快中子增殖堆 ···········································································62
3.5.1 熱中子堆和快中子堆
3.5.2 快中子增殖堆與輕水堆的比較
3.5.3 利用快中子增殖堆實現钚燃料的增殖
3.5.4 快中子增殖堆的結構
3.6 核反應堆用材料 ·········································································64
3.6.1 中子慢化材料
3.6.2 中子吸收材料
3.6.3 包殼材料和其他結構材料
3.6.4 結構材料的輻照損傷
3.7 壓水堆和沸水堆用的燃料組件
······················································66
3.7.1 壓水堆燃料組件
3.7.2 燃料元件棒
3.7.3
UO2 燃料芯塊
3.7.4 沸水堆燃料組件
3.8 核電廠的結構部件及所用材料
···························································68
3.8.1 核電廠的主要部件及功能
3.8.2 各類反應堆的主要部件用材料
3.9 壓水堆核電廠結構及所用材料
················································70
3.9.1 第一道安全屏障：燃料芯塊二氧化鈾陶瓷晶體（核燃料）
3.9.2 第二道安全屏障：燃料包殼
3.9.3 第三道安全屏障：壓力容器和一次回路壓力邊界
3.9.4 第四道安全屏障：安全殼
3.10 核反應堆用石墨 ·············································································72
3.10.1
天然石墨和人造石墨
3.10.2
高密度、高強度、高純度的三高石墨
3.10.3
核反應堆用石墨的生產工藝
3.10.4
核石墨的應用
3.11 核燃料循環 ·················································································74
3.11.1
核燃料的循環路徑
3.11.2
核燃料棒的構造
3.11.3
核燃料棒的后處理工程
3.11.4
核燃料棒的安全隱患
3.12 輻射能和放射線 ·················································································76
3.12.1
輻射能和放射線的定義
3.12.2
放射性核素
3.12.3
放射線對人的危害
3.13 3·11東日本大地震福島核電廠事故分析·····················································78
3.13.1
強地震緊急停堆后所有水冷系統失靈
3.13.2
核余熱及衰變產生的熱量足以使燃料元件熔化
3.13.3
高溫熔體穿透壓力殼
3.13.4
高放射性核燃料透過壓力殼泄漏到地面、海水乃至空氣中
3.14 典型核電廠事故分析 ·············································································80
3.14.1
國際核事故分級
3.14.2
美國三哩島核事故
3.14.3
前蘇聯切爾諾貝利核事故
3.15 嚴重事故燃料熔化
·······························································82
3.15.1
何謂嚴重事故
3.15.2
衰變熱使溫度上升失水事故
3.15.3
燃料熔化引起堆芯內部重新配置
3.15.4
形成殘渣床和熔池
3.16 極嚴重的核事故燃料泄漏
·································································84
3.16.1跑離升溫或熔斷升溫
3.16.2
堆芯熔化
3.16.3
燃料泄漏
3.17 核聚變和聚變能的應用
···········································································86
3.17.1
自然的太陽和人造太陽
3.17.2
核聚變發電屬于常閉型
3.17.3
激光慣性約束核聚變
3.18 托克馬克裝置的主體結構及所用材料
·················································88
3.18.1
磁慣性約束核聚變
3.18.2
托克馬克聚變堆對第一壁材料的要求
3.18.3
核聚變既涉及又惠及廣泛的技術領域
3.18.4
核聚變反應堆的結構和聚變能應用前景
定義及名詞術語匯編
思考題及練習題
參考文獻
第4 章 核電廠主要設備及核材料
4.1 世界核電發展歷史和現狀
····································································92
4.1.1 核能的開端與核電的產生
4.1.2 從第一代到第四代核電機組
4.1.3 世界核電發展現狀
4.1.4 世界核電發展歸于理性
4.2 中國核電發展后來者居上（1） ···································································94
4.2.1 中國核電產業從無到有
4.2.2 中國的核能核工業發展簡況
4.2.3 中國核電發展的四個階段
4.2.4 國家核電核工業發展的組織架構
4.3 中國核電發展后來者居上（2） ·····················································96
4.3.1 中國的核電后來居上，發展最快
4.3.2 中國的第三代核電
4.3.3 中國核電著眼海上
4.3.4 加強國際核安全體系，推進全球核安全治理推進核安全國際合作
4.4 不同堆型各有所長（1） ··········································································98
4.4.1 壓水堆歷史悠久，技術成熟
4.4.2 沸水堆壓水堆的孿生姐妹
4.4.3 重水堆重水作慢化劑，天然鈾作燃料
4.4.4 超臨界水冷堆功率密度和熱效率更高
4.5 不同堆型各有所長（2） ····························································
100
4.5.1 高溫氣冷堆
4.5.2 快中子增殖堆的結構
4.5.3 快中子增殖堆的發展狀況
4.6 壓水堆電廠的結構和原理
································································· 102
4.6.1 典型的壓水堆電廠外貌和核電廠的組成
4.6.2 壓水堆核電廠原理
4.6.3 核島（反應堆廠房）和常規島（汽輪機廠房）
4.6.4 燃料廠房和其他廠房
4.7 各類核材料的選材原則
·································································· 106
4.7.1 選擇核材料的首要標準滿足功能要求
4.7.2 核燃料為什么選擇二氧化鈾而非鈾合金
4.7.3 燃料包殼為什么選擇鋯合金
4.7.4 作為結構材料的不銹鋼和高鎳合金
4.8 核電壓力容器用鋼的選材及演化歷史
··············································· 108
4.8.1 核電壓力容器用鋼的演化歷史
4.8.2
SA508 系列鋼中的化學成分和力學性能
4.9 SA508 系列鋼中的主要元素及其作用
························································ 110
4.9.1 對核電壓力容器用鋼的性能要求
4.9.2
SA508 系列鋼中的主要元素及其作用
4.10 核反應堆壓力容器及蒸汽發生器的制造
················································ 112
4.10.1
核反應堆壓力容器
4.10.2
壓水堆核電廠核島部分的大型鍛件
4.10.3
SA508-3 鋼的組織與熱處理
4.11 核壓力容器的輻照損傷
····································································· 114
4.11.1
壓力容器鋼輻照脆化
4.11.2
輻照脆化機制
4.11.3
高強度低合金鋼大型鍛件中的氫脆現象
4.12 核燃料組件和控制棒組件
····························································· 116
4.12.1
上部堆內構件和下部堆內構件
4.12.2
核燃料組件的組成及裝料
4.12.3
控制棒組件及其驅動機構
4.12.4
材料在核安全中的重要作用
4.13 反應堆的四道安全屏障
································································· 118
4.13.1
反應堆的四道安全屏障
4.13.2
由UO2 粉末制作二氧化鈾陶瓷核燃料芯塊
4.13.3
作為燃料包殼管的鋯合金
4.14 核電廠的主要設備 ··································································· 120
4.14.1
反應堆冷卻劑泵
4.14.2
蒸汽發生器和穩壓器
4.14.3
核電廠用汽輪機和發電機
4.14.4
AP1000 機組采用的非能動安全系統
4.15 高鐵和核電一帶一路的兩根支柱
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4.15.1
2030 年核電裝機容量將達到1.5 億kW
4.15.2
高鐵與核電是輸出戰略的兩個支柱
4.15.3中國制造2025關于核電產業發展方針
4.15.4
在海外，到2020 年要完成中國造核電廠6~8 座
4.16 中國核電進軍英國和阿根廷
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4.16.1
中國廣核集團向英國三個核電廠出資，布拉德韋爾采用華龍一號
4.16.2
與英國、歐洲大陸簽署多項合作協議
4.16.3
中國核工業集團與阿根廷簽署建設華龍一號合同
4.16.4
以羅馬尼亞為據點，展開向歐洲的核電技術服務
4.17 與法、美等國進一步合作
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4.17.1
與法國共同實施后處理計劃
4.17.2
與法國共同開拓世界核能市場
4.17.3
更新核能合作協議，美、中延續蜜月期
4.17.4
形影相吊的日本
定義及名詞術語匯編
思考題及練習題
參考文獻
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